CC BY
133
664.8.022.1.035.15
ИТОГИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОБРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО И ЖИВОТНОГО СЫРЬЯ ДИОКСИДОМ УГЛЕРОДА
Г.И. КАСЬЯНОВ
Кубанский государственный технологический университет
Разработано новое прогрессивное направление в технологии переработки растительного сырья и найден оригинальный подход к решению целого ряда технологических задач с применением инертных газов в различных фазовых состояниях. Так, обработка термочувствительного плодоовощного, пряно-ароматического и лекарственного сырья в среде диоксида углерода - один из эффективных вариантов получения готовой продукции высокого качества.
Основные теоретические и экспериментальные исследования выполнены на достаточно высоком научно-методическом уровне с привлечением фундаментальных положений и разработок термодинамики, физической химии, теории массопереноса, биохимии, микробиологии и механики.
Учеными действующей при КубГТУ научно-педагогической школы «Научные основы и практическая реализация технологии обработки растительного и животного сырья диоксидом углерода» систематизированы возможные направления использования жидкого, твердого и газообразного диоксида углерода для интенсификации технологических процессов [1, 2]. Для каждой технологической операции созданы необходимые теоретические предпосылки и стенды экспериментальной проверки эффективности методов СО2-об-работки. Исследованные процессы проанализированы и обобщены в виде математических зависимостей, позволяющих осуществлять дальнейшую их модернизацию.
Применение СО2 для обработки, упаковки и хранения сырья перспективно не только из-за простоты его получения, но и потому, что использование этого уникального природного вещества в различных агрегатных состояниях - газ в до- и сверхкритическом состоянии, жидкость, твердое вещество (сухой лед) - позволяет решать различные технологические задачи.
Изучение газожидкостной гидратации растительного жирного масла позволило разработать и запатентовать способ обработки растительного масла диоксидом углерода в присутствии небольшого количества влаги, приводящей к осветлению масла за счет выпадения фосфолипидов [3]. В настоящее время под руководством профессора Е.П. Корненой разрабатывается и совершенствуется технология и производство сухих порошкообразных БАД на основе фосфолипидов, которые используются в виде обогатителей функциональных продуктов питания [4]. Краснодарская фирма
«Ювикс-Фарм» выпускает высокоочищенный подсолнечный лецетин для обогащения состава и функционально-технологических свойств вареных мясных и рыбных колбас.
Экстракция ценных компонентов из растительного сырья до- и сверхкритическим диоксидом углерода, используемым в качестве экстрагента, позволяет отказаться от органических растворителей, что весьма целесообразно с экологической и экономической точки зрения. Докритическая СО2-экстракция сокращает продолжительность процесса и увеличивает эффективность обработки. На рисунке приведена схема качественного анализа СО2-экстрактов.
Большинство экстрактов из пряно-ароматического растительного сырья представляют собой маслянистую жидкость желтого, зеленого, коричневого цвета с более темными или светлыми оттенками. Вкус экстрактов может быть сладковатым (фенхель, анис, аир болотный, можжевеловая ягода), пряным (кориандр, тмин, дягиль), горьким (зубровка, лавровый лист), жгучим. Экстракты, полученные из корневищ аира, дягиля, лапчатки, обладают большей плотностью, чем экстракты из плодов фенхеля, кориандра, тмина, аниса, перца красного жгучего. Экстракты из корней, стеблей и листьев аира болотного, дягиля лекарствен-
ОО 2-экстракт
_► Бескислотная фракция
т
Отделение глицеридов — охлажденным метиловым спиртом
____________i_____
Переэтерификация
ного, зубровки душистой, лапчатки прямостоячей, лаврового листа отличаются высокими значениями кислотных чисел. Изменение параметров технологического процесса позволяет получать экстракты с различным содержанием экстрагируемых веществ [5]. В таблице приведены рецептуры маринадов с использованием СО2-экстрактов вместо сухих пряностей.
Таблица
СО2-экстракт Содержание в маринадах, г/1 туб продукта
Овощные Мясные Рыбные
Корица 7,2/7,27 - 5,50/5,60
Гвоздика 32,0/32,00 - 20,24/20,52
Перец душистый 7,2/7,27 3,10/3,16 7,05/7,12
Перец горький 8,4/8,48 14,00/14,14 8,12/8,20
Лавровый лист 11,2/11,30 6,30/6,36 3,05/3,12
Укроп (семена) - 10,20/10,33 -
Петрушка - 3,75/3,78 -
Сельдерей (семена) - - 2,45/2,54
Эстрагон - 1,20/1,21 -
Примечание: числитель - рецептура, знаменатель - норма расхода.
При приготовлении плодовых, овощных, мясных, рыбных маринадов, консервированных огурцов, томатов, патиссонов и кабачков СО2-экстракты вводят с заливочной жидкостью в виде эмульсии.
Один из энергоемких процессов производства - гомогенизация растительного и животного сырья. Использование газообразного диоксида углерода для насыщения продукта и последующего резкого сброса давления в аппарате позволяет не только существенно сократить время и энергоемкость обработки, но и добиться высокой дисперсности и гомогенности получаемого продукта без ухудшения его биохимических показателей [6].
Применение СО2 в качестве технологического агента при холодной стерилизации дает возможность в 50-100 раз снизить бактериальную обсемененность обрабатываемого сырья без использования химических консервантов и с максимальным сохранением ценных компонентов исходных продуктов [7].
Использование СО2 позволяет снизить концентрацию солей винной кислоты - тартратов - в виноградном соке в 3-4 раза за 30 мин, причем газожидкостную обработку можно проводить непосредственно на производстве в крупных резервуарах [8, 9].
Диоксид углерода может эффективно использоваться в других процессах: охлаждении, замораживании, транспортировке сырья и др.
Представленные разработки являются залогом успеха в создании передовых технологий, например, при переработке сырья растительного и животного происхождения с использованием эффекта парных взаимодействий типа диоксид углерода - аргон, диоксид углерода - ультразвук, диоксид углерода - электромагнитное поле низкой и сверхвысоких частот [10, 11].
Создание первого экспериментального оборудования для экстракционной обработки сырья диоксидом углерода осуществлено при тесном сотрудничестве ученых и специалистов ряда научно-производствен-
ных объединений: НПО «Молния», НПО «Горизонт», КБ им. Микояна, НПО «Мир» [12]. Научная новизна усовершенствованной экстракционной технологии заключается в доказанной возможности управления процессами препаративного экстрагирования ценных пищевых компонентов из растительного и животного сырья с сохранением их нативных свойств, а также в возможности интенсификации процессов за счет эффективного разрушения клеток сырья электрофизическими методами. Убедительно продемонстрирована закономерность повышения выхода ценных органических веществ из предварительно подготовленного растительного сырья: сначала измельченного в крупку диаметром 2-3 мм, а затем пролепесткованного до толщины лепестка 0,2 мм.
Разработаны теоретические основы по созданию новых гидродинамических устройств для контактного охлаждения жидких пищевых продуктов потоком низкотемпературного диоксида углерода [13].
Ряд источников содержит новую информацию о факторах, влияющих на качество пищевых продуктов при СО2-обработке [2, 14].
На базе исследований, проведенных представителями известных школ во главе с В.Н. Голубевым, Б.И. Леончиком, А.Т. Мархом, А.Ф. Наместниковым, В.И. Рогачевым, А. А.Тараном, Б. Л. Флауменбаумом и др., определены направления совершенствования и создания новых технологий на основе уникальных свойств диоксида углерода в жидком, твердом и газообразном состояниях.
Апробировано применение СО2-обработки для замедления прорастания клубней картофеля за счет ингибирования процессов метаболизма; снижения температуры тепловой обработки соков и пищевых сред за счет изменения рН среды, что позволило добиться максимального сохранения биологически активных веществ в конечном продукте. Показана возможность исключения из схемы технологической цепочки дорогостоящего насосного и деаэрирующего оборудования за счет использования энергии сжатого газообразного СО2.
Изучены пути сокращения цикла технологической обработки сырья на соки путем совмещения в одном аппарате процессов смешивания ингредиентов, гомогенизации, концентрирования и пастеризации [2].
Разработаны способы измельчения частиц в пределах 10-15 мкм при резком снижении микробной об-семененности; интенсификации сушки плодоовощной пульпы, сохраняющей и природную окраску; криоконсервирования путем прямого контакта с хладагентом. Показано, что обогащение плодоовощной продукции биологически ценными веществами за счет СО2-обработки позволяет получать консервы ле -чебно-профилактического профиля. Определены пути и способы использования вторичного сырья - выжимок, шрота, семян, цедры и др., получаемого при переработке плодоовощных, пряно-ароматических и лекарственных растений, в качестве источников ценных компонентов.
Для контроля технологических операций и продуктов СО2-обработки использованы современные методы анализа: газожидкостная, высокоэффективная жидкостная и распределительная хроматографии; спектро-фотометрия в УФ и ИК-областях; масс-спектромет-рия [15]. Это позволяет судить о высоком уровне контроля, оценки технологических операций, качества и свойств получаемого продукта.
В основе конструирования новой аппаратуры лежит теоретический и экспериментальный материал по физико-химическим особенностям диоксида углерода и как растворителя, и как технологического агента. В качестве нового направления в холодильном технологическом оборудовании оцениваются струйные газодинамические устройства (СГДУ) для непрерывного контактного охлаждения жидких пищевых продуктов в струйном спутном течении с низкотемпературным газом или двухфазным потоком [13], что обеспечивает формирование жидкого, снегообразного или кристаллического фазового состояния продукта или его отдельных фракций. Таким образом, раскрыта возможность более широкого использования перерабатываемого продукта и получения новых его видов. По срав -нению с другими типами охлаждающих устройств -скороморозильными аппаратами - СГДУ конкурентоспособны в силу использования экологически чистой техники, обеспечивающей быстрое замораживание, сохранение и высокую гомогенность продукта в течение длительного времени. Практическая реализация теоретических исследований в области СГДУ, разработанная под руководством профессора В.М. Шляхо-вецкого, осуществлялась путем создания конструкций, систем и способов их использования для охлаждения тушек птицы, колбас, плодовых и овощных соков.
На основании многолетних комплексных исследований разработана технологическая концепция применения СО2 в различных фазовых состояниях для обработки плодов, овощей, мяса, рыбы, молока, пряностей. На предприятиях АПК Краснодарского края реализованы новые подходы в создании комплекса процессов, оборудования и промышленных линий, позволяющие получать готовые продукты, сбалансированные по составу и количественному содержанию биологически активных веществ. В частности, разработана технология применения сухого снега для охлаждения ягодной продукции непосредственно в местах сбора для кратковременного хранения и транспортировки. Разработана методика и аппаратура для извлечения биологически активных веществ из растительного сырья смесями сжиженных газов.
В перспективном плане работы научно-педагогической школы научно обоснована технологическая концепция применения диоксида углерода в пищевой промышленности. В представленных материалах убедительно показана практическая значимость результатов исследований для народного хозяйства страны. В состав научно-педагогической школы включены широко известные в стране и за рубежом ученые и производст-
венники, занимающиеся теорией и практикой высоких технологий СО2-обработки сельскохозяйственного сырья.
Основатели научно-педагогической школы по технологии обработки сельскохозяйственного сырья сжиженными и сжатыми газами канд. техн. наук, ст. научный сотрудник Александр Васильевич Пехов; д-р техн. наук, профессор Александр Аркадьевич Таран; д-р техн. наук, профессор Геннадий Иванович Касьянов. За время существования научно-педагогической школы ее сотрудники опубликовали 7 учебников и учебных пособий, 9 монографий, 11 научно-технических обзоров, более 60 статей в центральных научных и научно-технических изданиях, 63 доклада на международных и региональных конференциях, получено 84 патента и авторских свидетельства на изобретения.
Таким образом, участниками научно-педагогической школы выполнен обширный комплекс научных исследований для решения крупной народнохозяйственной задачи по промышленному освоению высоких технологий обработки сырья растительного и животного происхождения сжиженными и сжатыми газами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Касьянов Г.И., Пехов А .В., Таран А.А. Натуральные пищевые ароматизаторы - СО2-экстракты. - М.: Пищевая пром-сть, 1978. - 178 с.
2. Касьянов Г.И. Технологические основы СО2-обработ-ки растительного сырья. - М.: Россельхозакадемия, 1994. - 132 с.
3. А. с. 1089113 СССР. МПК С 11В 3/00. Способ гидратации масла / Г. И. Касьянов, А.Ф. Загибалов, В.И. Бессарабов и др. // БИ. - 1984. - № 16.
4. Артемьев А.В. Разработка и оценка потребительских свойств пищевых функциональных продуктов специального назначения с использованием растительных фосфолипидов: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Краснодар: КубГТУ, 2004. - 21 с.
5. Стасьева О.Н., Латин Н.Н., Касьянов Г.И. СО2-экс -тракты Компании Караван - новый класс натуральных пищевых добавок. - Краснодар: КНИИХП, 2006. - 324 с.
6. Шаззо Р.И., Касьянов Г.И., Запорожский В.А. Использование газожидкостных технологий в пищевой промышленности // Докл. Россельхозакадемии. - 2002. - № 2. - С. 60-62.
7. Русанова Л.А., Касьянов Г.И., Голод Б.И. Технические и микробиологические аспекты холодной стерилизации плодо -овощного сырья // Хранение и переработка сельхозсырья. - 1995. -№ 6. - С. 38-39.
8. Флауменбаум Б.Л., Касьянов Г.И., Окафор Г.И. Ис -
пользование твердой двуокиси углерода для ускорения кристаллизации винного камня в виноградном соке // Сб. докл. 53-й науч. конф. -Одесса: ОТИПП, 1993. - С. 70.
9. Подшиваленко Н.С. Новая технология осветления соков и виноматериалов в непрерывном потоке // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2006. - № 6. - С. 47-49.
10. Касьянов Г.И., Сагайдак Г.А. Исследование процесса соэкстракции ценных компонентов из растительного сырья // Там же. - 2004. - № 2-3. - С. 129-130.
11. Савин В.Н., Барышев М.Г., Касьянов Г.И. Экологиче -ские аспекты применения электромагнитных полей в экстракцион -ных технологиях. - Краснодар: КНИИХП, КубГТУ, 2005. - 148 с.
12. Силинская С.М., Касьянов Г.И. Извлечение ценных компонентов из растительного сырья методами до- и сверхкритиче-ской экстракции. - Краснодар, 2006. - 145 с. - Деп. в ВИНИТИ 21.02.2006, № 177-В2006.
13. Шляховецкий В.М., Касьянов Г.И. Технологические особенности поточного контактного взаимодействия жидких пище -вых продуктов с диоксидом углерода // Холодильная техника. -2001. - № 6. - С. 14-15.
14. Шаззо Р.И., Касьянов Г.И. Функциональные продукты питания. - М.: Колос, 2000. - 248 с.
15. Татарченко И.И., Касьянов Г.И. Получение информации о качестве чая с помощью экспресс-методов // Докл. Россельхо-закадемии. - 2003. - № 2. - С. 48-50.
Кафедра технологии мясных и рыбных продуктов
Поступила 07.02.07 г.
664.8.035.1
ИЗВЛЕЧЕНИЕ ЦЕННЫХКОМПОНЕНТОВ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ СЖИЖЕННЫМ ДИОКСИДОМ УГЛЕРОДА
B.С. КОРОБИЦЫН, В.А. БИРБАСОВ, А. С. БОРОДИХИН,
C.В. БЕЛОУСОВА
Кубанский государственный технологический университет
При экстракции различных веществ из сложных биополимерных матриксов, к каким относится природное растительное сырье, используемое в пищевой и фармацевтической промышленности - цветы, травы, ягоды, корнеплоды и др. - происходит не только выделение необходимого отдельного химически чистого вещества, но и одновременная экстракция нескольких веществ, близких по сродству к применяемому типу растворителя. При этом каждое из экстрагируемых веществ несомненно влияет на эффективность процесса экстракции всех остальных. Процесс совместного выделения нескольких веществ из сложного химического соединения с помощью определенного растворителя называют соэкстракцией. Очевидно, для дальнейшего совершенствования процессов экстракции важно уметь учитывать эффекты соэкстракции, что позволяет глубже понять механизм экстракции и дает возможность управлять этим процессом в заданном направлении.
Процесс соэкстракции нескольких веществ может быть описан в рамках линейной модели системой обыкновенных дифференциальных неоднородных уравнений [1]
х = Ах + Ъ, х е К" (1)
с начальным условием х(0) = 0,
где х - вектор концентраций экстрагируемых веществ; Атхт - матрица, элементы которой ау определяют влияние концентрацииу-го ве-щества в растворе на эффективность экстракции /-го вещества; Ъ е К" - вектор, координаты Ъ, которого равны скорости экстракции /-го вещества в начальный момент времени.
Влияние эффектов соэкстракции определяется значениями элементов матрицы а/у и координат вектора Ъ. Зависимость именно этих коэффициентов от условий опыта - условий проведения процесса - важна при изучении особенностей процесса экстракции с целью его совершенствования и управления им.
Отметим, что прямых методов определения указанных коэффициентов нет. Эксперимент позволяет только получить кинетические зависимости хЦ), / = = 1, 2, ..., т для каждого /-го вещества, экстрагируемого в данном опыте. Используя разработанный ранее метод для определения параметров динамических систем [2], рассмотрим, как на основании данных по кинетике
экстракции отдельных продуктов получить оценки параметров ау и Ъ1 для процесса соэкстракции х/(^ в смеси из нескольких веществ.
Пусть экспериментальные данные х^4) - концентрации /-х веществ в моменты времени 4 - являются сеточными функциями, заданными на сетке 'Г = {4|к = 1, 2, ., п} со значениями х,, которые определяют в фазовом пространстве К" некоторую сеточную кривую х(4). Аппроксимируем эту сеточную кривую решением х(/, 0) = (х^ 0), ..., хт((, 0))Т уравнения (1) на промежутке / е Яр. Координаты вектора параметров 0 - искомые коэффициенты ау и Ъ/, поэтому р = т(т + 1). Из множества решений системы (1) необходимо выбрать такую траекторию х(/, 0) в фазовом пространстве, которая наиболее близка к заданной сеточной кривой х(4). В качестве критерия близости удобно выбрать минимум функционала
т п
Ф(х, 0) = (х, - х1 (Г,, 0 ))2. (2)
/= 1 к= 1
Функционал Ф(х, 0) представляет собой сумму квадратов отклонений в фазовом пространстве К" экс -периментальных значений х/к сеточной кривой от значений функции х(, 0) - решения уравнения (1) в точках 4. Его можно понимать и как квадрат расстояния между функциями х(4) и х(/, 0) в банаховом пространстве. В случае нормального распределения ошибок в экспериментах по кинетике экстракции минимизация функционала (2) по отношению к 0 эквивалентна максимальному значению функции максимального правдоподобия для вектора 0. Таким образом, задача состоит в том, чтобы найти такое значение вектора 0*, при котором функционал (2) имеет минимальное значение.
Для решения задачи используем необходимое условие экстремума функционала
#Ф(х, 0) =0 .
#0, ’
у 1 2 ..., p,
которое равносильно системе из р уравнений, нелинейных относительно неизвестного вектора 0*.
" " (х, - х, (,,, в)) = 01 (3)
/= 1 к = 1 #0 у
] = 1 2 .., р.
